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錫鉛焊料的二元金相圖解釋

雖然無鉛錫膏(焊錫)已經是現代環保電子科技的主流了，但是基於信賴度的考量，汽車業與軍用電子都還有很多產品還在使用含鉛的焊錫，因為「含鉛焊錫」的焊接強度比「無鉛焊錫(lead free)」高出許多。

有鉛錫膏的主要成份以錫(Sn)及鉛(Pd)為主，其他微量成份還有銀、鉍、銦等金屬，各有其不同的熔點（M.P.），不過本文先假設這些微量的其他金屬成分不會影響到錫膏的特性，所以我們可以先用錫鉛的二元相圖來解釋錫膏的特性，因為三元以上的相圖實在是太複雜了。

而且不論是焊料或是IMC，其組成的份子越多，其結構也就越複雜，也越不容易管控，可靠度也越差。

相關延伸閱讀：錫膏中添加銅銀鋅銻鉍銦等微量金屬的目的為何？

在解釋

參考一下文章最前面的錫鉛二元相圖，橫坐標表示錫鉛的重量百分比(Wt%)，縱座標表示攝氏溫度(°C)。

我們先來看這張圖的幾個相區(phase)：

• AEF以上的區域為「液態區(Liquid)」。當溫度與錫鉛重量比落在此區域時錫鉛兩種金屬同為液體狀態。
• CBEGH圍起來的區域為「固態區(Solid)」。當溫度與錫鉛重量比落在此區域時錫鉛兩種金屬都為固體狀態。
• ABC圍起來的區域為「富鉛(αPb)固溶體區(Solid Solution)」。「錫」溶解在「鉛」之中。
• FGH圍起來的區域為「富錫(βSn)固溶體區(Solid Solution)」。「鉛」溶解在「錫」之中。
• ABE圍起來的區域為「富鉛漿態(αPb+L)。此區為為多量固態鉛+少量液態錫。
• EFG圍起來的區域為「富錫漿態(βSn+L)。此區為為多量固態錫+少量液態鉛。

另外，還有幾條段(line)必須先說明：

• AEF線段：液化熔點線。高於此線的溫度，表示兩種金屬都會融化成液體。
• CBEG線段：固化凝固線，低於此線的溫度，表示兩種金屬都會固化成固體。
• CB線段：富鉛(αPb)固溶體飽和溶解線(solubility curve)，或稱為固溶線。
• HG線段：富錫(βSn)固溶體飽和溶解線(solubility curve)，或稱為固溶線。
• BEG線段：共晶線，表示αPb、βSn、L三態共存平衡線。

鉛的熔點為327°C，所以相圖的左上角就是從327°C開始的(100%的「鉛」，A點)，隨著錫鉛重量比的含鉛量越來越少，焊錫量越來越多，這條【液化熔點(Liquidus m.p.)】線的溫度也越來越低，當錫鉛重量比來到最佳的Sn63/Pb37（實際為Sn61.9/Pb38.1，因為早期技術量測不準，以致造成誤差），其液化熔點也達到最低的183°C，如果繼續再增加含錫的比率，其液化熔點溫度就則反轉上升，到達純錫（100%的「錫」）時的232°C。

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錫鉛合金焊料除了61.9/38.1的重量比有個唯一的【共固點(E點)、共熔點、共晶點（Eutectic）】183°C之外，其他不同的重量比皆會出現兩個熔點，溫度較高者稱為【液化熔點(Liquidus m.p.)】，溫度較低者稱為【固化熔點(Solidus m.p.)】。介於兩熔點之間的焊料則稱之為【漿態(pasty)】，也就是固態與液態共存(co-exist)的高黏度流體。所謂的漿態(pasty)其實就有點類似土石流的型式，因為其中可能是錫已經變成液態但是鉛還是固態(αPb+L)，或是剛好相反(βSn+L)。

至於為什麼我們一定得用Sn63/Pb37的重量比例，這是因為純錫的融點高達232°C，不利用於一般的PCB板組裝焊接，或者說目前的電子零件都無法達到這樣的高溫，所以必須以錫為主，然後加入其他合金焊料來降低其熔點，以達到可以量產並節省能源的主要目的，也可以降低電子零件耐溫的門檻，因為絕大部分電子產品的使用與儲存環境都只會在-40°C～+70°C之間而已，所以183°C的熔點真已經是綽綽有餘了；其次要目的是可以改善焊點的韌度(Toughness)與強度(Strength)。

一般的相圖都會有α、β、γ等符號來表示相圖中的固溶體，本錫鉛相圖只有二元，所以只用到α及β。這張相圖的α指的是富鉛(Pb)的固溶體，而β則是富錫(Sn)的固溶體。

（這裡稍微解釋一下什麼是溶質(solute)與溶劑(solvent)。以鹽巴溶解在水中當例子，鹽巴為溶質，水為溶劑，其實溶質與溶劑只是一個相對的概念，當鹽巴比水還要來得多的時候，水就變成了溶質，而鹽巴就變成了溶劑。再用個比喻，把玻璃珠埋在沙子裡，沙子就是溶劑，而玻璃珠就是溶質。那如果把少量的沙子撒在一堆玻璃珠之間，玻璃珠就變成了溶劑，而沙子就是溶質。）

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αPb相區(CBA)為富鉛的固溶體，但是錫會溶解在鉛之中，錫變成了溶質，在這個相區，錫的溶解度有其上限，從C點開始，隨著溫度的上升(CB線)到183°C時(B點)，錫的溶解度來也到最高的18.3%，當溫度繼續升高(BA線)，錫的溶解度反而漸漸變少至零(A點)。

βSn相區(HFG)則為富錫的固溶體，相對的鉛則溶解在錫之中，鉛變成了溶質。從H點開始，隨著溫度的上升(HG線)到183°C時(G點)，錫的溶解度來也到最高的2.23%(=100-97.8)，當溫度繼續升高(GF線)，錫的溶解度反而漸漸變少至零(F點)。

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